浅析汽车电子PCB设计可靠性与工艺可行性的兼容

肖洁，陈竹，申冬海，罗家运

(中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412002)

0 引言

随着汽车电子产品和电控技术的不断发展，高集成度、高可靠性及高品质的发展趋势已日益凸显。而PCB作为汽车电子关键零部件PCBA的重要载体，人们对其设计可靠性和工艺可行性的兼容有了更高、更全面的要求，如器件散热性能与焊接防偏移装配性、EMC性能与ICT可测试性、载流能力与焊接可靠性等。产品实现过程中要兼容两项或多项设计和工艺要求，需多方位比较、创新设计和反复验证，才能获得最优的改进方案和最佳的实施效果[1]。

本文作者针对PCB的设计可靠性和工艺可行性两个重要指标，从兼容二者的角度出发，侧重于设计源头的改进，同时辅以必要的工艺优化和产品验证，有效提升了产品的质量，并起到了降本增效的作用。

1 散热性能与焊接防偏移兼容

PCB设计中，MOS管、电源管理芯片等器件一方面要保证基本的电气性能，另一方面也要考虑散热性能。由于此类器件焊盘面积大，焊接时大面积锡膏的流动易导致器件出现偏移，从而影响焊接可靠性和器件的散热性能，进一步影响器件的电气性能及使用寿命，焊接偏移实例见图1。此类问题可通过改进封装来实现，也可通过调整钢网开口来解决。结合成本评估、改进效果等方面的对比分析，通过设计优化来控制器件的焊接偏移，比后续工艺改进会减少更多的生产成本浪费，同时也可形成一定的技术积累和封装共享[2]。

图1 焊接偏移实物

基于上述因素和兼容设计、工艺的综合考虑，本文作者通过PCB设计前期的封装制作来实现器件的散热性能和焊接防偏移问题。具体包括散热孔、隔离阻焊区的设置，以及PCB加工塞孔方式等要求。以SOT-404封装为例，封装设计图(图2)及说明如下：图中圆孔为散热孔，八边形(形状不限)内部为隔离阻焊区，PCB制作时要求散热孔做塞孔处理，避免顶层锡膏透至底层产生锡球，引发短路风险。当PCBA过回流炉时，锡膏熔化成流动的液体状，由于焊盘底部各阻焊区存在力度均衡的阻力，相比无阻焊设计焊盘而言，焊锡流动的速度会明显减缓，而器件在回流炉熔锡区的时间是固定的，所以整体偏移量会变小，甚至可以忽略，从而有效控制了器件的偏移。

图2 SOT-404封装设计结构

2 EMI性能与ICT可测试性兼容

ICT测试是保证PCBA质量必不可少的检测方式之一，而ICT的有效实施必须满足测试点TP的覆盖率和合理分布，尤其是布局紧凑的PCB。同时兼顾测试工装的制作成本和测试效率的提升，TP通常会集中于PCB同一层，此时会出现很多独立过孔Via和独立TP共存现象，一般通过Via将信号引至TP布置层，再设置单独的TP，如图3所示。此种设计对电磁干扰EMI中辐射发射RE的性能指标有较大影响，独立分支的TP相当于RE试验中的触角天线，通电工作后的TP会集中向外界辐射能量，从而影响电磁兼容EMC可靠性和相邻电子电气产品的正常工作。

图3 TP和Via共存设计

随着车载电子设备的大量增加，汽车工作的电磁环境日益严重，电路也日趋敏感，从而影响电子设备的正常运行，进一步威胁汽车行驶的可靠性与安全性，所以EMC可靠性已成为汽车电子不容忽视的重要性能指标[3-5]。基于ICT可测试性和EMI性能的提升，尤其针对高集成度和高可靠性的电子产品，通过设计一种集TP和Via于一体的封装，一方面优化PCB设计，提升产品的EMI性能；另一方面提高ICT测试的可靠性和便利性，同时降低生产成本。

图4所示顶层为TP，直径为d1。Via孔径为d2，中间层及底层直径为d3，其中d2和d3根据线路电流大小和PCB布局紧凑性共同确定。当布局特别紧凑或出于保密需要时，可屏蔽丝印，采取覆铜“+”等作为标识。具体应用如图5所示，圆圈内的TP_Via不但可以优化PCB的布局和设计可靠性，而且还可以提升ICT测试的可靠性、经济性和便利性。

图4 TP_Via封装三维图

图5 TP_Via应用实例

3 载流能力与可焊性兼容

电子产品设计中，大电流信号的处理除了保证PCB线路本身的载流能力，焊接可靠性也是必不可少的一个关注点。尤其针对热敏感型器件，如与IGBT相连的电源端子，长时间焊接对IGBT性能和使用寿命均有较大的考验。以大电流电源插座焊接端的设计为例，如图6所示，图6(a)中焊接端子与覆铜直接相连，载流能力虽然最好，但焊接可行性却最差，因为大面积的覆铜虽然保证了焊接可行性，但载流能力不一定能满足设计需求[6]。

图6 架桥方式示意

针对上述问题，从兼容载流能力和可焊性出发，采取图7所示架桥设计方式。图中架桥线径宽度w、数量n及布局根据产品极限工况下电流的大小和裕量共同确定，顶层、底层设计方式相同，中间层则根据顶层和底层(或二选一)的覆铜设置相应的分割点，确保中间层覆铜区的桥接同顶层或底层完全重叠，否则同样会影响连接端子的焊接可靠性。

图7 非常规架桥连接

4 机械强度与焊接可靠性兼容

近几年PCB电信号的软连接方式已日趋发展，但因受信号载流能力、产品应用环境、结构设计及成本等方面的限制，常规硬连接方式还是占据主导地位。以最常见的电连接器为例，由于受拔插力度、频度及振动等因素的影响，机械强度显得尤为重要[7]。PCB设计中提升机械强度最常见的方式是端子泪滴化，如图8所示。而对于引脚间距过窄的情况，泪滴效果并不明显，而且焊接时还容易出现连锡现象，影响焊接可靠性。

图8 泪滴设计示意

为解决上述问题，可采取图9所示设计方法，在连接器装配面布线，并对引脚焊盘进行泪滴化处理。重点是焊接面黑框内4个边角焊盘的辅助设计，由两个异型焊盘相叠加，其中倾斜焊盘不能过高，避免影响产品的RE性能。此设计方式一方面可增强插座的机械强度，另一方面焊接时，焊锡可沿倾斜焊盘爬锡，避免过度集中在焊盘中心区域，导致相邻焊盘之间存在连锡短路风险[7]。

图9 非常规设计示意

5 EMS性能与防机械应力损伤兼容

电磁抗扰EMS性能整改中，辐射抗扰RI、传导抗扰CI以及大电流注入BCI主要考验对外部信号的抗干扰能力，为了将PCB干扰沿有效回路泄放至外壳地Housing(一般为PCB边缘的金属化安装孔)，通常会在Housing和PCB信号之间并接数颗小电容或阻容件。受布局、器件封装及抗扰效果的共同影响，此类元器件一般布置在金属化孔附近，由于螺钉装配过程受机械应力的影响，容易出现电容短路现象，从而导致PCB性能受影响，甚至无法正常工作[8-9]。

以电源VBAT和Housing信号为例，当二者之间的连接电容出现短路时，VBAT和Housing会直接短路。为兼容EMS性能、提升与器件防机械应力损伤的问题，同时结合成本考虑，可以将器件沿紧固工具的运动方向偏移一定角度(一般取45°)，分解施加在器件上的机械应力，从而降低器件受损的风险，具体如图10所示。若同时采取“Open mode”型电容则最为可靠[8，10]，只是此类电容的采购成本较高。

图10 VBAT和Housing连接示意

6 结论

PCBA作为汽车电子产品的核心零部件之一，其重要性和可靠性已不言而喻。文中阐述的5个典型应用，不仅在设计前期经过了可行性分析，同时在工艺后期采取了有效的设计验证DV和生产验证PV，并结合产品的实际应用进行了优化改进和反复验证，证明上述构思是完全可行的，不仅可提升产品的质量，优化产品性能，同时还可起到一定的降本增效、技术储备作用[7]。